[发明专利]锂离子电池正极材料高锰固溶体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子二次电池用正极材料，特别是高锰固溶体材料Li_1+aMn_bNi_cT_dO₂及其制备方法，其中，T＝Co、Al、Ti、Mg、Zn、B、Zr、Ga、Cu、Ce等元素或他们的组合，a+b+c+d＝1，0＜a＜0.333，0.333＜b＜1。

背景技术

自从1990年日本Sony公司成功将锂离子电池商业化以来，锂离子电池已广泛应用于移动电话、便携式电脑、数码相机、电动工具等产品中。在当前席卷全球的绿色能源的浪潮中，锂离子电池在电动汽车以及各种储能装置等领域的应用是一个极具潜力并可能巨大成长的领域。在巨大的市场需要与潜力面前，现有的锂离子电池还不能完全满足需要，其存在的主要的问题有：电池容量尚不够高，成本依然很高，安全性能及循环性能尚有待提高等。

锂离子电池由正极、负极、电解液、隔膜及包装材料组成。其中正极和负极是电池的活性部分。一个不容忽视的现实是，当前的锂离子电池，正极性能明显滞后于负极性能。因此正极性能的提高更具有紧迫性。这其中新型正极材料的开发尤显重要。在目前商品化的锂离子电池中，钴酸锂是最早获得应有并仍然占据市场主流的正极材料。近年来，锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂三元材料也被逐渐应用到锂离子电池产品中。现有的这些材料都有一个共同的问题：比容量不够高，均低于170mAh/g，在100～170mAh/g范围左右。多年来世界各国进行了大量的研究试图提高比容量，某些材料比容量也可短暂达到大于230mAh/g。但是，这些材料都不够稳定，充放电效率很低，倍率性能与循环性能很差，无法实现产业化。

发明内容

本发明目的是提供一种比容量大于230mAh/g的高比容量锂离子电池用正极材料。同时这一材料具备良好的倍率性能、循环性能与安全性能，具有很高的性价比。

过渡金属氧化物正极材料有层状、尖晶石、橄榄石等结构。在充电时，锂离子从正极脱附，穿过隔膜向负极移动，在负极嵌入。在放电时，锂离子从负极脱附，穿过隔膜向正极移动，在正极嵌入。在锂离子脱附与嵌入的过程中，材料的体积会变化，结构会经受很大的考验。如果锂离子脱附与嵌入过多，则会导致材料结构的不稳定性，从而限制了比容量的提高。

从材料设计的角度，提高材料的实际比容量可以从几个角度考虑：1)提高理论比容量；2)提高材料的结构稳定性，使理论比容量能更大限度地发挥出来。本发明的材料高锰固溶体材料Li_1+aMn_bNi_cT_dO₂正是基于这样的材料设计理念。Li_1+aMn_bNi_cT_dO₂可以看作是Li₂MnO₃与LiMn_uNi_vT_wO₂的固溶体。Li₂MnO₃与LiMn_uNi_vT_wO₂形成某种协同作用。一方面Li₂MnO₃与LiMn_uNi_vT_wO₂的协同作用提高了材料的整体稳定性。另一方面，稳定后的Li₂MnO₃在活化后也具备稳定的电化学活性，从而对比容量有所贡献。活化的方法包括电化学与化学方法。在本发明中主要应用电化学方法处理，即通过在2.0-4.6V下的慢速充放电即可实现活化。